Способ контроля теплового режима реакторной установки типа ВВЭР в динамических режимах Советский патент 1993 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами реакторных установок ВВЭР для Контроля состояния реактора.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности определения Тепловой мощности реактора за счет повышения точности определения температуры теплоносителя.

Цель достигается тем, что в способе контроля теплового режима теплоносителя в первом контуре реакторной установки типа $ВЭР в динамических режимах, включающем периодические измерения температуры теплоносителя в холодных Тпхн (п - номер петли) и горячих Тпгн нитках первого контура, давления Р теплоносителя в первом контуре, расхода Gn теплоносителя в петлях первого контура, дополнительно измеряют температуру Tns воды в межтрубном объеме парогенератора, используя указанные величины, измеренные в стационарном режиме работы реактора, находят коэффициенты теплопередачи /сп из первого контура во второй для каждого парогенератора с помощью математической модели теплопередачи вида:

-TnXH + knTnrH + (1-kn)Tns 0.

00

о

ICO

Ю iOJ

где kn ехр( - //V): Fn - площадь поверхЬрЬр

ности теплообмена;

Ср - удельная теплоемкость теплоносителя первого контура;

далее в динамическом режиме работы реактора измеряют тот же набор параметров при работающих главных циркуляционных насосах и с помощью той же математической модели устанавливают уточненные значения Тпхн, Тпгн, которые используют для определения известным способом тепловой мощности реактора как:

NV О . f ГН I ХН Z Gn (in - In )

N 1

Кроме того, цель достигается тем, что уточненные значения Тпхн, Тпгн определяются как

х (Вт 2у1 В + А) 1 ,(ВТ 2у1 у% Ат2е7 %)

где1 (Т1хн. TirH,...TmXH, Ттгн,)Т;т -число петель; т - знак транспортирования матрицы, А - блочная матрица:

А

Ai 0 00 О А2 О О

О 0 0 Am

с блоками Ар (-1 kn,o);

В l2m; Ik - единичная матрица порядка k x k;

2s ol Im:

2у (& 2т .

+ Опн1{Тпхн-и - - + Опн1{Тпгн-и -

5 где , - промежуточные значения, определяемые как

10

15

0

5

0

5

Тпхн: c$b x

-ГС 1+МТпН31+(1 -kn)T5 ()2

Тпгн: Тпгн 1+Опн2 х

- + + (1 - kn)Pn

(kn-1)2

On/i , «пН1 , «ru , «nH2- подбираемые коэффициенты (0 ct 1),

, - значения температуры, полученные в предыдущем временном цикле измерения.

Авторам не известны способы контроля теплового режима реакторной установки, обеспечивающие приемлемую погрешность в динамических режимах, особенно при определении тепловой мощности реактора. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения новизна, При определении тепловой мощности реакторов авторы дополнительно учли взаимосвязь между измеряемыми параметрами РУ, сохраняющуюся при их изменении, что выражено соотношением :

40

-Тпхн+ knTnm + (1 - kn)Tns 0

(2)

Сущность изобретения: в стационарном режиме работы реактора измеряют темпеУН ратуру теплоносителя в холодных Тп и горячих Тпгн нитках первого контура, давление теплоносителя в первом контуре, расход теплоносителя в петлях первого контура и температуру воды в межтрубном объеме парогенератора и с помощью выбранной математической модели теплопередачи находят коэффициенты теплопередачи из первого контура во второй для каждого парогенератора. Далее измеряют те же параметры в динамическом режиме работы реактора при работающих главных циркуляционных насосах и устанавливают с помощью той же математической модели уточненные значения Тпхн и Тпгн, которые используют известным образом для определения тепловой мощности реактора. 2 з.п.ф-лы, 1 ил. fe

1

- вектор:

(bi....bm)T, bn (kn°-1)Tns(kn - kn ),o - In,о );

kn,o

,-- Ts РХГУ wn In.o ln,o

exPv .oCp TnHo-Tn,a

у (Т1ХН И, ТГЛ...Ттхн-и, Ттгн и)Т- вектор результатов измерения температуры;

Gn,o, Тп,охк. Тп,огн, Тп.о8 - значения параметров Gn, TnXH, Тпгн, Tns в предыдущем временном цикле измерения.

Цель достигается также тем, что уточненные значения Тпхн, Тпгн определяются как:

5

0

5

и предложили дополнительные условия измерения отдельных параметров, Ранее соотношение (2) применялось только при расчетах парогенераторов на этапе его проектирования и не применялось для контроля работающего реактора, Отличительные признаки в совокупности с известными в заявляемом способе позволяют повысить точность определения тепловой мощности реактора в динамических режимах. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия.

На чертеже в упрощенном виде представлен вариант устройства для реализации заявляемого способа.

Способ осуществляют следующим образом.

В одном из стационарных режимов работы реакторной установки на различных энергетических уровнях мощности (целесообразно использовать стационарные режи- М Ы на этапе энергопуска: на уровнях мощности 40, 75, 90, 100% от номинальной) с прмощью штатных измерительных каналов системы контроля, управления и защиты ВВЭР измеряют температуру теплоносителя в холодных нитках первого контура (Тхн) и в горячих нитках (Тгн}, расход теплоносителя в петлях первого контура (Gn), давление теплоносителя в первом контуре (Pik) и дав- пароводяной смеси в межтрубных объемах парогенераторов (Рпг) и находят коэффициенты теплопередачи УСП с помощью соотношения (2), причем эти измерения проводят столько раз и в таком наборе состояний реакторной установки, чтобы обеспечить требуемую точность определения коэффициентов теплопередачи. Если пре- н бречь систематическими погрешностями, тс точность определения коэффициентов теплопередачи обратно пропорциональна кЕадратному корню из полного числа изме- р(ний:О «71Г , где Oi - среднеквадрати- ческая погрешность при одном измерении, oif при I измерениях, Тем самым настра- модель теплопередачи (соотноше- Hi|e 1) в парогенераторах из первого контура во второй для каждого парогенератора.

, Такие измерения и настройку модели д/|я каждого парогенератора необходимо периодически (несколько раз за топливную кампанию) повторять в процессе эксплуата- щ/|и энергоблока с целью учета изменения коэффициента теплопередачи, например, вследствие появления отложений солей на станках трубок парогенератора.

Далее при работе реактора на мощно- CTJI при включенных ГЦН измеряют давление, температуру, расход теплоносителя первого контура и давление пароводяной в межтрубном объеме парогенератора;. По измеренному давлению в первом контуре Pik вычисляют удельную теплоем- коЈть Ср.

i Результаты этих измерений используют совместно с моделью теплопередачи (соот- но.шение (2)) в парогенераторах для уточне- ни|я температуры в холодных и горячих нитках петель.

При использовании ЭВМ с высоким быстродействием и большим объемом опера- памяти уточнение температуры приводят по алгоритму Калмана.

i Предположим, что погрешность соотношения (2) имеет статистический характер, Т.&-Тпхн + kn Тпгн + (1 - Кп) Tns ЈП (3)

где Јп - случайный процесс с нулевым средним и дисперсией ае .

Перед нами - задача оценивания состояния х (TiXH, ТГ,...Ттхн, TmrH)T и выхода N системы с входами Tns, Gn (n 1,...m), для которой уравнение эволюции состояния имеет вид (3), а уравнения измерений:

т ХН Т хн-и гт ХН

In -In -On

т гн т- гн.и „. гн In -In -ОН

15

где ohXH, Опгн - погрешности измерений.

Пусть они имеют статистический характер, некоррелированы, имеют нулевое среднее и дисперсию от . Заметим, что в предположении, что теплоноситель второго контура

находится на линии насыщения во всем объеме парогенератора, его температура Ts может быть определена по измеряемому давлению Рпг.

При использовании в системе контроля

ЭВМ с достаточными оперативной памятью и быстродействием получают оптимальную оценку температуры и тепловой мощности реактора следующим образом.

Линеаризуют соотношение (2) в окрестности текущих значений переменных

v -fr. хн т гн т хн т гнут. ,о - И,о ,...lm.o , I т.о )

-г хн . i т гн и

-In + Kn.o In Dn

(-) - переменная, зависящая от входов и текущих значений температуры:

bn (kn° - 1)Tns - (kn - kn°)(Tn.orH - Tn.os)

Известно, что для переменных х, свя- занных системой уравнений модели:

b Ах +е.

при наличии измерений у, связанных с х системой уравнений измерений:

y Bx+ff

. -

где t,а - взаимно некоррелированные

случайные векторы с нулевыми средними и дисперсионными матрицами Se . 2у, оптимальная оценка дается в виде:

;

г-1

Т v-1 лл-1 fDT v-1 .. ATV-1

x (BT2y1 B + A ST Aj- .fB Sy y + A1

а ее дисперсионная матрица имеет вид:

, oTvrrlp -L л TV- 1л -1

Sj BT2y1B+A 2e lA)В рассматриваемое задаче А - блочная матрица:

Ai О О О О Аа О О

О О О А

m

с блоками An (-1 kn.o),

В Ik - единичная матрица порядка kxk;

2e Oeiml 2y f/ri2m,

Т

Ь - вектор: В (bi,...bm)T,

7 (Т1ХНЛ ТГЛ...Тттх-и, Tm™-)T - вектор результатов измерения температуры.

Этот алгоритм обеспечивает максимально возможное уточнение температуры.

В настоящее время в системах контроля используются ЭВМ с недостаточной для оптимального определения температуры теплоносителя производительностью и малой оперативной памятью; поэтому представляется предпочтительным получение менее оптимального уточнения температуры теплоносителя и тепловой мощности, тем более что из-за неизбежной приближенности используемой модели и характеристик погрешностей полученная оценка все равно не будет оптимальной. Вместе с тем отказ от вычислений оптимальных матриц:

(Вт2у1В + А)

Tv-i

Т v-lxvUTv-l

(B Sy1 в + А1 zr ArA z

в реальном масштабе времени дает существенную экономию вычислительных ресурсов: процессорного времени и оперативной памяти. Поэтому при использовании более дешевой ЭВМ, с меньшим быстродействием и объемом оперативной памяти уточнение температуры проводят по следующему алгоритму.

Измеряют температуру Тпхн и Тпгн и и де- лают поправки к оценке температуры , , полученной в предыдущем временном цикле, получая промежуточные оценки ,

ГТ ХН1,. - ГГ ХН1 -и хн и ГТ ХН1 X

Un Ji:-lTn Jo + «n.nln -Un Jo}

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

TnrH}j + «KW- -

далее, используя модель (2), делают поправки к полученным оценкам, что дает оценку температур:

Тпхн: ($& х

- Гхн 1+МТУ 1+(1 -kn)T% (kn-1)2

TnrH: Tnm i+«ft x

+(1 -knTTS

Xn

(kn-1)2

Эта процедура является применением модифицированного алгоритма Качмажа, причем уравнения измерений и модели определяют в фазовом пространстве пере- менных х множество 3 х m гиперплоскостей. В каждом цикле приема измерительной информации от датчиков в устройстве обработки проводится последовательное проецирование оценки 1с на указанные гиперплоскости (удобнее осуществлять проекции в приведенном выше порядке. В качестве начального приближения в каждом цикле используется оценка, полученная в предыдущем цикле. Коэффициенты в приведенных выражениях подбираются заранее. Полученные значения температуры Тпхн, Тп гн подставляют в соотношение (1) и находят тепловую мощность реактора.

В устройстве (см.чертеж), реализующем способ, в первом контуре энергоблока, включающем ядерный реактор 1, несколько петель, каждая с горячей ниткой 2, холодной ниткой 3, парогенератором 4 и с главным циркуляционным насосом 5, установлены датчики температуры теплоносителя 6. 7, датчик давления теплоносителя 8, датчик перепада давления теплоносителя на главном циркуляционном насосе 9, датчик скорости вращения ротора ГЦН 10. Во втором контуре установлен датчик давления пароводяной смеси в парогенераторе 11, Временные сигналы с датчиков поступают на вход аппаратуры контроля 12, далее на аналого-цифровые преобразователи 13. С выхода аналогово-цифровых преобразователей сигналы поступают в ЭВМ 14. Значения расхода теплоносителя в петлях первого контура, определяемые по результатам измерений 7-10, а также значения коэффициентов теплопередачи парогенераторов регистрируются в базе данных 15.

Значения температуры теплоносителя в нитках первого контура и мощности реактора постоянно визуально отображаются на дисплее 16 и регистрируются на магнитном диске 17.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность контроля теплового режима реакторной установки. Действительно, для реакторной установки ВВЭР-1000 в номинальном режиме работы тепловая мощ- Кость реактора N0 3000 МВт, температура теплоносителя в горячей нитке Т0ГН 320°С, в холодной нитке Т0ХН 290°С, в парогенераторе T0S 278,5°С, Погрешности температурных измерений ot 0,4°С, погрешности определения петлевых расходов OG - около 0;,01Gn,o. Без использования модели средие- квадратическая погрешность оценки тепловой мощности по параметрам первого контура (71 составляет около 1,4% номи- нальной мощности. При использовании модели (в предположении, что ее погрешность Ор 0,1 - 0,5°С) погрешность определения температуры теплоносителя в холодных и горячих нитках уменьшается до 0,14- 0,32°С и 0,39-0,4°С соответственно, а погрешность определения тепловой Мощности реактора по параметрам первого контура уменьшается до ,1-1,3% номинальной мощности. Выигрыш в точно- сти оценки, характеризуемый показателем 202-2О1, составляет 0,2-0,5% номинальной мощности.

Технико-экономический эффект заключается в повышении точности определения тепловой мощности реактора, что дает возможность без уменьшения безопасности повысить мощность реактора. Для энергоблока тепловой мощностью 3000 МВт (и электрической - соответственно 1000 МВт) уменьшение погрешности оценки тепловой мощности даже на 0,2% номинальной мощности дает возможность дополнительного производства электроэнергии 17,5 млн. кВт ч в год.

Формула изобретения 1. Способ контроля теплового режима реакторной установки типа ВВЭР в динамических режимах, включающий пе- риодические измерения температуры теп- лрносителя в холодных Тпхн (п-номер петли) и горячих Тпгн нитках первого контура, давления Р теплоносителя в первом крнтуре, расхода Gn теплоносителя в петлях первого контура, отличаю щийся тем, что, с целью повышения точности определения тепловой мощности реактора за счет повышения точности определения температуры теплоносителей, дополнительно измеряют температуру Tns воды в межтрубном объеме парогенератора, используя указанные величины, измеренные в стационарном режиме работы реактора, находят коэффициенты теплопередачи кп из первого контура во второй для каждого парогенератора с помощью математической модели теплопередачи вида

-TnXH + knTnrH + {1-kn)Tns 0,

tc F

где kn exp ( - -п,.п) ; Fn - площадь повер- ЬпЬр

хности теплообмена;

Ср - удельная теплоемкость первого контура;

далее в динамическом режиме работы реактора измеряют тот же набор параметров при работающих главных циркуляционных насосах и с помощью той же математической модели устанавливают уточненные значения Тпхн, Тпгн, которые используют для определения известным способом тепловой мощности N реактора:

N- V гГ; гн : XH-i - 2. Can (in In )

N 1

( В +АТ1Т1 A)-1.(BTZy1 у + Ат2Г1Ь)

.-„« (т хн т гн т хн т

где х (и , и ,....Тт . Тт ), т - число петель;

т - знак транспортирования матрицы; А - блочная матрица:

AI ОО О

О А2О О

О 0 0Am

с блоками An (-1 kn.o);

В 12т;

1k - единичная матрица порядка k x k; 2е - (Js Irn; Zy r# l2m:

b - вектор: t (bi....bm)T: bn (kn°- 1)Tns-(kn - kn .o - Tn.cT);

- «х-таУ у (Т1ХН-И, Т1ГН-И,..„ TmXH T, Tmm-T - вектор результатов измерения температуры;

GT ХН п,о, I п,о

, Тп,огн, Tn,os - значение параметров Gn, TnXH, Тпгн, Tns в предыдущем временном цикле измерения.

тем, что уточненные значения Тп , Тп определяются из выражений

+ 0 ;Н1{ТпХН-и -

+ сйМТи™ - где , - промежуточные значения, определяемые из выражений

Тпхн: с&Ъ х .

.. (1 -kn)Tn

Л ---------™ ------ ini

(kn-1)2 Тпгн: Тпгн 1+г/пн2 х

- тйн31+мт ;н 1 +(1 -kn)T5 (kn-1)2

. . . «ni подбираемые ко- эффициенты (0 ),

. - значения температуры, полученные в предыдущем временном цикле измерения.